Optoelektronika - LED i laser

Optoelektronika Literatura uzupełniająca: 1. B.E.A. Saleh,  M.C.Teich – Fundamentals of Photonics – Wiley  Prowadzący: dr hab. inŜ. Marcin Lipiński – AGH C-3, pok 514,tel.: 12 617 30 20 e-mail: mlipinsk@agh.edu.pl 1 1. B.E.A. Saleh,  M.C.Teich – Fundamentals of Photonics – Wiley  2007. 2. J.Siuzdak – Wstęp do współczesnej telekomunikacji  ś wiatłowodowej – WKŁ 1999. 2. K.Booth – Optoelektronika – WKŁ 2001. 3. G.Einarsson – Podstawy telekomunikacji światłowodowej – WKŁ  1998. Definicje Optoelektronika  – dziedzina techniki (optyka, elektronika), wykorzystująca specyficzne właściwości ś wiatła do realizacji operacji pozyskiwania, gromadzenia, przetwarzania i przesyłania sygnałów informacyjnych. Fotonika  – interdyscyplinarna dziedzina nauki i techniki (optyka, elektronika informatyka) mająca na celu opracowanie technik i urządzeń z wykorzystujących promieniowanie EM (poza pasmem radiowym) słuŜących przenoszeniu i przetwarzaniu informacji. Opis i teorie światła 1. Optyka promienista – I.Newton, P.Fermat  (odbicie i załamanie światła) 2. Optyka falowa – Ch.Huyghens, T.Young  dyfrakcja (ugięcie) i interferencja  (nakładanie) (nakładanie 3. Optyka elektromagnetyczna – J.Maxwell  fala EM, równania Maxwella, falowe WaŜne stałe fizyczne  [ ] [ ] m H m F r / 10 4 ; / 10 85 . 8 ; 7 12 0 0 − − ⋅ ⋅ = ⋅ = ⋅ = ⋅ = π µ µ µ µ ε ε ε ε [ ] s m c 468 792 299 1 0 0 = ⋅ = ε µ [ H r 10 4 ; 0 0 ⋅ ⋅ = ⋅ = π µ µ µ µ h  = 4,135 667 443 ·10–15 eV ⋅s n c n 1 1 1 v ε µ ε µ ε µ = ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ = Światło w dielektryku ν λ λ ⋅ = = 0 0 T c ν  - częstotliwość n c n n r r r r n 0 n 0 0 ; v v λ λ ε µ ε µ ε µ ε µ = ⋅ = = = ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ = Długość fali w dielektryku ulega skróceniu !! Widmo promieniowania EM 1 T H z 1 P H z 1 E H z 1 Z H z 1 G H z 1 M H z 1 kH z 1 H z 3 0 m 3  cm 3 0  µ m 3 0  n m 3 0  p m 3 0  km optyka X γ f λ Widmo światła λ Fiolet                – 380nm-436nm Niebieski           - 437nm-495nm Zielony              - 496nm-566nm ś ółty                  - 567nm-589nm Pomarańczowy - 590nm-627nm  Czerwony        – 628nm-780nm Mechanizm przewodzenia w półprzewodnikach

(…)

…, jest procesem stochastycznym i jedynym
warunkiem jest istnienie molekuł wzbudzonych – w
stanie „m”.
Amn – współczynnik emisji spontanicznej (Einstein),
jest to średnia liczba przejść „m”→”n” w jednostce
czasu.
1
τm =
- Czas Ŝycia molekuły w stanie „m”.
Amn
Emisja spontaniczna – c.d.
Prawdopodobieństwo emisji spontanicznej w
przedziale czasu dt wynosi:
 Em 
Psp = Amn ⋅ exp −
 ⋅ dt
 k ⋅T 
Emisja wymuszona
Jest wynikiem oddziaływania pomiędzy kwantem o
energii h⋅ν=Em- En a wzbudzoną molekułą („m”) .
W rezultacie emitowany jest drugi kwant o tej
samej energii, fazie i kierunku propagacji, co kwant
inicjujący.
Prawdopodobieństwo zajścia emisji wymuszonej
Pst = Bmn ⋅ P (ν ) ⋅ dt
Bmn- stała emisji wymuszonej
P(ν) – gęstość widmowa mocy promieniowania
Absorpcja
Jest wynikiem oddziaływania pomiędzy kwantem o
energii h…
….:
Nm
 Em − E n 
= exp − 

Nn
 k ⋅T 
czyli
Nm < Nn
Warunek równowagi – c.d.
Zwiększenie emisji wymuszonej w stosunku do
spontanicznej moŜna uzyskać zwiększając P(ν).
MoŜna to uzyskać przy zastosowaniu rezonatora
optycznego – np. Fabry-Perrot - selektywność.
Dla stanu równowagi liczba aktów emisji
wymuszonej jest zawsze mniejsza od liczby aktów
absorpcji – co oznacza, Ŝe wzmocnienie dla emisji…
… przez złącze p-n
dyfuzja
Ec
rekombinacja
promienista
Ev
F
Pλ
p
dyfuzja
n
E g = Ec − E v
h⋅c
h ⋅ν =
≅ Eg
λ
h ⋅ c 1,24
[µm]
λ≅
=
Eg
Eg
Model pasmowy złącza
przewodzącego
Rekombinacja ma charakter
spontaniczny- LED !
9
Źródła światła – c.d.
Warunkiem koniecznym rekombinacji promienistej
jest prosta przerwa energetyczna w półprzewodniku
Prosta przerwa energetyczna Skośna przerwa energetyczna
Ec
Eg+∆E
Ev
Ec
Eg
Eg…
… okresowej
III grupa – B, Al, Ga, In ; V grupa – N, P, As.
Związki In, Ga, As i P
o
a0 [A] - stała siatki krystalicznej
6.2
InAs
Przerwa prosta
6.0
InP
5.8
5.6
AlAs
GaAs
Przerwa skośna
GaP
5.4
0.2 0.4 0.6 0.8
1
1.2 1.4 1.6 1.8
2
2.2 2.4
Eg [eV]
ZaleŜność przerwy energetycznej od składu związku
Diody świecące światłem widzialnym
Eg [eV]
2.2
Przerwa
skośna
2.0
1.8
Przerwa
prosta
1.6
1.4
0
GaAs
0.5
1
GaP…
…
Pλ
Monitor
Rmon
UR
Układ stabilizuje średnią
moc lasera !!
61
Szum światła w laserze
Szum intensywności – Relative Intensity Noise
Szum śrutowy – kwantowość emisji
Szum modowy – Mode Partition Noise lub
Mode Competition Noise
Szum oddziaływania wstecznego – Optical
Feed-Back Noise
Szum fazy – szum koherencji
…
... zobacz całą notatkę